宏基因组测序旨在无需分离培养微生物，直接解析样本中群落组成、功能潜力及互作机制，突破传统方法局限，为疾病防控、环境修复、农业优化及基础微生物学研究提供高通量、多维度的科学支撑。目前，主要有二代宏基因组和三代宏基因组，我们再来回顾一下两者的区别。
测序技术 | 优点 | 缺点 |
NGS 二代测序 | 高通量、高准确性、低成本 | 组装Contig太短、组装完整性差、基因不完整、基因簇破裂、污染率高等 |
TGS 三代测序 | 为复杂微生物群体样本中的单菌组装提供又长又准的序列，大幅提升组装效果，打造宏基因组完成图Complete MAGs新概念；增强了对各种类型变异的检测 | 单个碱基的错误率较高，但可以通过重复测序和后续校正来改善 |
接下来我们结合实际案例来看一下，三代宏基因组在复杂环境样本以及医口肠道这两大类型样本中的实际组装情况。
从复杂环境中重建MAG
在陆地生境的研究中[1]，研究者借助三代纳米孔宏基因组技术，从154个测序样本（包括农田、沼泽、泥炭地和沼泽地生境的土壤和沉积物样本）中共回收得到6,076个高质量（HQ）和17,767个中等质量（MQ）宏基因组组装基因组（MAG）。本研究去冗余后的MAG中包含4,894个HQ宏基因组和10,746个MQ宏基因组，相较Microflora Danica短读长（MFD-SR）浅层宏基因组研究高出183.4%，其中去冗余的高质量（HQ）MAG数量更是达到该研究的11倍。
此外，基因组连续性的提升，标志着复杂基因组区域的组装效果得到改善。研究观察到，完整操纵子形式的rRNA基因获取效率显著提高，防御基因岛（尤其是CRISPR-Cas簇）的完整性也更为理想。此外，长读长组装的另一项优势体现在生物合成基因簇的完整性上——相较于其他基于短读长的宏基因组组装（MAG）目录，本研究MAG中完整生物合成基因簇（BGCs）的数量中位数达到前者的6.1倍。
图1 从样本中重建的MAG概况。
图2 大规模陆地环境研究中MAG组装结果比较。在MAGs中预测的rRNA操纵子(c)、防御岛(d)和BGCs (e)的基因簇总数。
医学肠道微生物研究
近年来越来越多的研究证实，人类肠道微生物组与多种重大疾病存在密切关联，涉及癌症、代谢性疾病、免疫性疾病及神经系统疾病等多个领域。当前，三代宏基因组技术已成为肠道微生物研究的关键工具——借助这一技术，科研人员得以系统解析微生物群落的组成结构、物种多样性、系统发育关系、功能基因及代谢网络等核心生物学信息。
在针对蒙古人肠道微生物的研究中，研究人员通过三代纳米孔测序与二代测序混合组装的方法[2]，从人类粪便样本中成功组装出802个完整宏基因组组装基因组（CMAGs）。为评估当前组装所得CMAGs的代表性，通过将物种水平去冗余后的数据集与人类胃肠道基因组（UHGG）数据库进行比对分析。经评估筛选出134个种级CMAGs，覆盖11门、14纲、27目、45科、94属。其中131个种级CMAGs为截至2021年7月尚未报道的环状完整人类特异性代表基因组，另有65个未培养物种的参考基因组质量得以提升。
图3 有效组装大量物种水平的CMAGs。
综上，三代宏基因组可组装得到更多的中高质量MAG，同时对于复杂区域的组装也得到显著的提升！
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参考文献
[1] Genome-resolved long-read sequencing expands known microbial diversity across terrestrial habitats. Nature Microbiology, 2025.
[2] A high-quality genome compendium of the human gut microbiome of Inner Mongolians, Nature Microbiology, 2022.
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